如何发现那些“冬眠”的黑洞？或许它们需要被提供“食物”…

我们都据说过黑洞的概念，知道每个星系都存在超大质量黑洞，只是因为没有充沛的“食物”供给，黑洞就不会发光。那么，若何去证实黑洞的存在？黑洞又是如何吞噬恒星的呢？

出品："SELF格致论道讲坛"公家号（ID：SELFtalks）

以下内容为中山大学物理与天文学院申荣锋演讲实录：

（原创文章久久自媒体）

我今天跟人人聊聊黑洞是若何吞噬恒星的？我们都据说过黑洞的概念，知道黑洞是不发光的，任何光子也逃不出它的引力束缚局限，黑洞不辐射便不克被看见，若何去证实黑洞的存在？去寻找它在宇宙中什么处所呢？

这个要追溯到上世纪60、70年月的时候，人类将X射线探测器发射到太空中，X射线就是我们用来照射X光的，是能量稀奇高的光子。

在谁人时候我们发现，太空中有多数个发射很强的X射线的源，X射线起原于什么处所？它不太或者来自一个通俗的恒星，因为恒星外观温度不敷高。

那就有一个猜测，这或者是一颗双星，个中一个是恒星，此外一个是致密天体。

恒星外观的气体，或者被致密天体的强硬力场拉过来，然后这些气体在致密星四周形成一个盘，气体从这个盘向这个致密星中举止，盘的温度会加热到很高，所以它就有或者会发射好多X射线。

然则这个不克敷陈我们致密的天体就是黑洞，因为还有其他种类的致密天体也能够发生如许X射线的发射。

关于这个问题，个中某个X射线源是稀奇亮的，叫做天鹅座X1。两位有名学家用这个源打了一个赌，还设立了一个赌约，个中一位是毕生研究黑洞的霍金，另一位是前年获得诺贝尔奖的基普索恩。

霍金说，若是天鹅座X1被证实是黑洞他就输了，不然他就赢了。

霍金与赌约

为什么设如许一个赌约呢？这是他做的双保险的策略，“固然我是研究黑洞的，然则若是证实这个天鹅座X1不是黑洞，我就赢了，至少可以打赢这个赌约”，赌约的赌值就是其时风行的杂志。最后天鹅座X1这个源被确认是一个真正的黑洞。

怎么知道它是一个真正的黑洞？要看致密天体的质量，，这些致密天体是怎么来的？

当恒星灭亡时，它的内核塌缩形成致密星，若是要形成黑洞，恒星的质量需要非常大，最终黑洞形成的质量比太阳质量还要大3倍，其他致密天体的数量要小于这个数值。

只要我们可以正确地测量致密天体的质量，就能够知道它是不是黑洞。怎么测呢？

经由测量双星傍边可见恒星的活动，这个..的圈就是在黑洞四周形成的吸积盘，在光学上，你只能看到这颗大的恒星。经由测量它的速度跟着时间的转变，就能够知道这个致密星的质量，最终测量到天鹅座X1这个黑洞的质量是太阳质量的14倍。

这类双星中的黑洞代表的是一类质量级其余黑洞，我们称为“恒星质量级”黑洞。此外，我们知道宇宙中有更大质量级的黑洞，被称为“超大质量黑洞”。它们都处于星系的中心，怎么去探测到它们呢？

这些星系的中心有好多气体存在，这些气体实际上是一种供应给黑洞的食物，若是这些气体往黑洞接近的话，将以回旋的形式往中心旋进。

右边的照片就是比来拍到的一个遥远星系的大质量黑洞，这个就是叫M847的星系中心。中央黑..域就是黑洞造成的暗影，四周环状的就是这些气体回旋形成的影像。

图片起原：收集

经由吸积盘观测到黑洞

在我们生活的星系中也有一个超大质量黑洞，经由长年累月观测银河系傍边恒星的活动轨迹，我们就能够正确画出这些恒星的活动轨道，然后推算出这个黑洞的位置和质量。

恒星的活动轨道

放眼宇宙，我们几乎能够说每个星系都存在超大质量黑洞，然则每个星系中并纷歧定存在大量气体，是以大多数星系没有充沛的“食物”供给，黑洞就不会发光。

绝大多数星系的黑洞都是处于“蛰伏”状况，我们怎么发现这些处于“蛰伏”状况的黑洞呢？

大天然给我们供应了此外的方式。显露的动画是数值模拟，图片的中心是一个黑洞，一颗恒星活动到它的四周，然后被完全拉碎了，亮的区域就是被拉碎了的恒星的残骸气体。

然后它们互相碰撞，它们的轨道会变得越来越圆，最终就会形成一个盘，盘的辐射非常亮。

这就供应了一种方式，让我们可以索求到自己处于蛰伏的黑洞，这些黑洞会偶然吞噬一颗恒星，如许倏忽供应食物和物质给它，就会发光变得很亮，我们就能探测到黑洞的存在。

若是有如许的事情发生的话，具体味分几个步伐呢？

第一步：恒星先被切开（潮汐崩溃）。

潮汐崩溃

就像吃面包一般，它会被扯开，这是经由黑洞的潮汐力来实现的。当恒星的质量活动到很大时，会像面条一般被拉长，然后恒星的构成物质就变得非常弥散。

这种潮汐力是因为黑洞对恒星的引力，在恒星的两面有差值造成的。这两面的差值也发生在地球和月亮之间，地球朝向月亮或许是背离月亮，所受到的引力是纷歧样的，这就是地球上发生海水潮起潮落的原因。

第二步：咽下（吸积气体残骸）。

这个恒星被撕碎今后，它的残骸气体就从新返回接触、互相碰撞，它们的轨道会变得越来越圆，最终形成一个盘，这些气体在盘里面流向黑洞，被黑洞吞噬掉。

吸积气体残骸

第三步：打个饱嗝儿（发生耀发辐射）。

气体在被吞噬掉的过程中会发生很强的电磁波的辐射，在短时间内能够发出很强的光。我们称之为耀发的辐射，就像黑洞吃了食物后会打饱嗝儿一般。

我们探测到这些辐射，就能够知道某一个星系的中心的确存在如许的黑洞。

发生耀发辐射

这种方式是英国剑桥大学天体物理学家马丁·里斯传授在三十多年前提出来的。

马丁·里斯

1988年至今，我们共探测到也许30例潮汐崩溃事件。

5个代表性事例的亮度转变构成曲线

上方的图就是5个代表性事例的亮度转变构成的曲线。

为什么至今为止索求到的事件这么少呢？因为恒星被潮汐崩溃的事件发生的几率非常小。

恒星被黑洞的潮汐崩溃，要求它离黑洞的距离必需非常近。而这些恒星本来距离黑洞的位置是非常远的，最初这些恒星所栖身的区域离黑洞的距离，与它被崩溃时的距离，这两个距离的比值是100万比1或许是1000万比1。

一颗恒星活动到黑洞四周需要经由恒星与恒星的相遇，这就相当于打台球一般的，只是在这个过程傍边，恒星们没有碰着彼此。在碰着对方之前，两者之间的引力已经把恒星的活动轨道改变了，这就是引力散射的过程。

引力散射

这个事件的概率是非常低的，就像你要将一枚硬币掷到十公里之外的路面的下水道口，而这个下水道口是被盖子盖住的，盖子上有一格格的闲暇，要在10公里外把这个硬币扔到下水道里面，这个难度是非常高的。

我是怎么起头研究这种事件呢？那是2011年我在国外读博士后的时候，天文学家发现了一件如许的事例，它的代号叫SwiftJ1644+57。这是事例发生今后亮度衰减的曲线，能够看到亮度随时间转变是逐渐衰减的。

辐射是来自气体形成的吸积盘，这些物质在盘里往黑洞移动被吞掉的过程，就是盘的质量逐渐衰减的过程，当气体越来越少的时候，它的亮度就变得越来越低。

当这个事件勾起了我的乐趣今后，我起头去思虑盘里的物质是若何削减的？在里斯提出这个模型时，他展望是一个一连衰减的过程，就像图片所示。

然则我发现，这个盘跟着时间的演化，里面气体的亮度不是圆滑地在衰减，而是有一个拐折，就像下图的红圈显露的那样。

这个事件显露亮度会经由一个非常快的降低。

因为这个源很亮，能被长时间观测到，后续的观测究竟如红圈显露，的确表明它的亮度经由一个快速下降的阶段。我非常愉快可以看到如许的数据，因为跟我模型的展望非常吻合。

为什么亮度会倏忽降低呢？那是因为盘在跟着时间演化过程中，它会履历过三个分歧的物理状况，就像下图的曲线显露的。它分为三段，中央一段是不不乱的状况，当盘进入这个阶段就起头变得不不乱。

然则气体盘可以调节本身，达莅临近相对不乱的状况，这个阶段对应的就是曲线最下面这一段。在这里气体往黑洞里流入的速度要比之前低得多，这就使得盘的亮度变得很低。

这个过程像是我们坐飞机下降一般，在下降之前飞机平稳航行，然则因为高度下降，大气层变得不不乱，飞机会履历短暂的发抖，航行员不得不使飞机快速下降。等降到更低区域的时候，大气会变得相对不乱，所今后面的下降过程，就会变得对照不乱懈弛慢。

亮度跟着时间衰变过程这个物懂得释，后续在另外三个潮汐崩溃事例中也获得了验证。其他三个崩溃事例在晚期也存在一个对照猛烈的降低。

恒星崩溃事例的过程是非常有趣的，除了亮度衰减这个特征之外，还有其他的过程值得研究。

好比说黑洞若是是快速扭转的，扭转的特征会影响气体回落形成盘的过程，那在亮度转变曲线里面有什么特征？这也是非常有意思的值得研究的偏向。

此外在恒星被崩溃之前，它会活动到离黑洞很近的处所。这个过程对应着会有更强的引力波的辐射，这种引力波如同电磁波，是一个全新的研究天体的手段。这也是一个关于潮汐崩溃事例有趣的研究偏向。

然则我们需要观测到更多如许的事例。因为这种事例是不太频仍发生，需要我们在某一个时刻，可以对大面积的天空同时进行观测，这就是我们建造更活络并且观测区域更广的千里镜的原因。

这是中国正在建造的爱因斯坦探针千里镜。

我们等候将来有更多如许的事例，能发现更多的黑洞，而且对黑洞若何进行潮汐崩溃的过程有更清楚的认识。

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